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ELECTROQUIMICA DE LAS ARCILLAS
II.4.II.4.- Minerales Minerales arcil losos . • Son producto producto de la meteori meteorización zación química química.. • En su mayor parte están están compuestos compuestos de silicatos silicatos de aluminio hidratados hidratados..
• Su form forma a es de placa. •Están cargadas negativamente
Fig. 21.- Partícula de arcilla.
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•Su comportamiento esta dominado dominado por la actividad actividad electroquímica. Predominan las fuerzas de Repulsión y Atracción Atracción Fig. 22.- Se aprecia la acción de las fuerzas de repulsión y atracción entre las partículas. Dependiendo de las cargas eléctricas que rodean las partículas, partículas, ellas se atraen atraen o se repelen. Ejemplo en un medio con agua destilada, existirá repulsión entre las partículas de arcillas. En un medio calcáreo el agua contiene otros iones con carga positiva alrededor del cual se adhieren moléculas de agua.
Ejemplo ión positivo rodeado de moléculas de agua.
En el medio calcáreo las partículas atraen y absorben iones opuestos y entonces pueden ser atraídos por otros, y se se aglomeran en flóculos, flóculos, llegando llegando éstos a ser suficientemente grandes para sedimentar por efectos gravitacional. Flóculos formando la microestructura tipo panel de abeja. Aquí el contacto entre las partículas es borde cara.
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Dependiendo su estructura el tamaño de esas placas puede variar, existiendo por tanto tres tipos de minerales arcillosos: • Caolinita (tamaño mas grande) • Ilita (Tamaño intermedio) • Montmorinonita (tamaño mas pequeño)
Fig. 23.- Partículas de los minerales arcillosos.
II.4.1.- Microestruct ura de l as arcillas. Es el arreglo estructural que toman las partículas individuales o un grupo de partículas en su depósito natural, y que en escala microscópica definen la microestructura o microtextura de los depósitos de las arcillas. A partir de la fig. 24 se explica con un poco más de detalle lo mencionado en el punto anterior. Microestructura Microestructura dispersa
floculada
Pueden experimentar repulsión entre las partículas debido a la similitud de las cargas de las partículas y a la presencia de agua adsorbida.
Fig. 24.- Recipientes donde se muestran la disposición que toman las partículas en medios acuosos con distintas propiedades.
Es posible qu esta atracción sea resultado de las fuerzas de Van der Wall y a la afinidad con ciertos cationes intercambiables que se encuentran en suspensión.
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Fuerzas de Van der Wall: Son fuerzas de atracción de corto alcance entre moléculas adyacentes y se deben a la interacción de los campos eléctricos que se generan alrededor de las moléculas por los electrones que giran alrededor de los núcleos atómicos. Existe tendencia a la floculación cuando
Concentr ación de electról itos
Tamaño del ión hidratad o
Valencia iónica
Adsorción de aniones
Temperatura
PH
Berry P. Y Reid D (1993), expresan: •Que una solución alcalina (PH>7) suprime el efecto repulsivo y si las partículas chocan o se aproximan, suficientemente se atraerán entre sí y formaran grupos o grumos que sedimentaran con relativa rapidez. •Por el contrario, si la suspensión se neutraliza con la adición de una solución acida, las fuerzas de repulsión serán dominantes y las partículas permanecerán dispersas en la suspensión por mucho tiempo.
PH < 7
PH = 7
Predomina el efecto de repulsión es un medio acido (cuando predominan los iones de hidrógeno)
PH > 7
Medio alcalino, disminuye el efecto repulsivo (cuando se le agrega cal)
Se ha tenido la creencia que el medio de formación del depósito tenía una influencia importante en la microestructura de los depósitos de arcilla. Ejemplo: •La formación del depósito en agua salada producía arcilla marinas con una diferenciada estructura floculada. •La formación del depósito en agua dulce producía arcillas lacustres o arcillas aluviales con una estructura menos floculada o probablemente una estructura dispersa.
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No todos los investigadores están de acuerdo con los dos últimos puntos indicados en la lámina anterior, y han expresado: •La estructura dispersa con placas esencialmente paralelas no se ha observado experimentalmente. •Se han identificado con claridad grupos de placas de arcilla en los que se evidencia arreglos con contactos cara a cara y paralelos.
•Es común encontrar conjuntos esos grupos algunas veces desempeñando el papel de conectores entre partículas de limo y arena. Es difícil representar los complejos y variados arreglos que forman la microestructura de la arcilla. Una representación simple puede ser: • Esto no constituye un argumento de peso para creer que existe una relación única entre la microestructura y su medio de formación del depósito.
Pero ya escala mayor, también existe lo que se denomina la estructura en esqueleto, que está formada por granos gruesos formando un esqueleto con sus espacios vacíos parcialmente llenos de un agregado relativamente suelto de los constituyentes más finos del suelo.
Sin embargo se sigue hablando de los siguientes arreglos para la microestructura de las arcillas. Fig. 25.Microestructura para las arcillas.
Dispersa
Floculada
Estructura en castillo o panel de abeja
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Respecto a la microestructura paralela, se debe indicar: Todo sedimento contiene al menos un pequeño porcentaje de partículas en forma de escamas o de discos (arcilla). Cuando estas partículas sedimentan, se orientan paralelamente. Presiones por el aporte de nuevo sedimentos acentúa más esta tendencia. Para la microestructura en forma de paneles d e abeja se puede inferir: Si este tipo de estructura está sometida a fuerzas de corte, probablemente genera el colapso de la misma y las partículas tienden a ubicarse en forma pa ralela.
Información adicional respecto al PH PH < 7: Suelo Acido Un suelo acido tiene escases y abundancia de los siguientes minerales. Escases Abundancia -Fósforo -Hierro - Calcio - Manganeso - Magnesio - Zinc - Boro - Aluminio PH = 7 Hay óptima disponibilidad de todos los nutrientes PH> 7: Suelo Alcalino Un suelo alcalino tiene escases y abundancia de los siguientes minerales. Escases Abundancia -Hierro -Fósforo - Manganeso - Calcio - Zinc - Magnesio - Cobre - Boro
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En la fig. 26 se ilustra la circulación de agua a través de la masa de suelo, la cual puede arrastrar vestigios de material arcilloso. Las partículas de arcilla pueden atraer moléculas de agua.
Fig. 26.- Agua circulando a través de la masa de suelo. También las partículas de arcilla tienen la propiedad de adsorber los cationes que se encuentran en la solución acuosa, es decir los metales que forman las sales y el hidrógeno de los ácidos.
Esto trae como consecuencia que el ión de calcio (Ca++) que normalmente se encuentra en los suelos sea desplazado fácilmente por el ión de hidrógeno (H+) que es más activo que el ión de Ca++.
La propiedad de las arcillas conocida como intercambio de bases, permite a su vez remplazar el ión de (H+) por el ión de (Ca++), debido a la acción de masa. Por tanto al incorporar la cal a un suelo, el ión de hidrógeno es sustituido por el ión de calcio, modificándose las propiedades del suelo que de acido pasa a ser alcalino. A este proceso sigue el de la apagada para producir el hidróxido de calcio mediante la reacción En este caso hay un proceso de pulverización con un constante aumento de volumen. La avidez por agua de la cal viva es tan grande que absorbe vapor de agua de la atmosfera y de las sustancias orgánicas.
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Nota: La posibilidad de intercambio de bases en un suelo ya tratado, donde el ión de hidrógeno (H+) remplace al ión de calcio (Ca++), es menos probable que ocurra, pues se supone con todo fundamento, que las capas tratadas estarán cubiertas a las aguas pluviales y capilares (aquí se p uede usar un dren de geotextil). A continuación se presenta los resultados de ensayos hechos para tratar algunas carreteras Colombianas. La tabla 15, muestra el efecto que produce la incorporación de cal a los suelos colombianos, observándose el cambio de estado de acido a alcalino. Tabla 15.- Efecto de la presencia de la cal en los suelos finos. Procedencia del suelo
% de cal
PH
Alcalino ó Acido
Galapa
0
5.8
Acido
Galapa
8
10.1
Alcalino
Bayunca
0
5.9
Acido
Bayunca
8
11.3
Alcalino
Incremento de PH tiende a dispersar las partículas. Pero en campo la compactación se realiza con maquinaria pesada.
II.4.2.- Macroestru ctura de las arcil las. La macroestructura de las arcillas, esta referida al estado en que se encuentra la masa arcillosa en el deposito natural, referido a su estratificación, fisurasión y homogeneidad. Los depósitos de arcilla en su condición natural, se puede presentar como: 1.- Depósitos de arcilla que no presentan variaciones visibles de estructura y que por tanto pueden ser uniformes o si existe algún rasgo de no uniformidad es difícil de identificar. Por tanto cualquier monolito extraído del de depósito presenta un aspecto homogéneo y por tanto la arcilla se considera intacta o inalterada.
Monolito homogéneo de arcilla.
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2.- Depósitos de arcilla separados por líneas de estratificación y son denominados depósitos de arcilla laminados, con espesores de capas de arcilla menores o iguales a 25 mm. 3.- Depósitos de arcilla con presencia de pequeñas capas de limo o arena y corresponden a los depósitos lacustres formados en el deshielo de los glaciares. Por tanto su estructura también es laminada.
Arcilla laminada
Arcilla laminada con presencia de capas de limo o arena Las capas de limo o de arena son trayectorias de drenaje preferencial y la permeabilidad será mayor en el sentido de estas capas.
4.- Depósitos de arcilla fisurada: Son arcilla arcillas duras con una red de grietas capilares, uniones o fisuras. La fisuración es atribuible a: -Depósitos que han estado bajo presencia previa de altos niveles de esfuerzos . -Movimientos pasados del terreno, con inestabilidad general. -Cambios de volumen debido a desecación.
Cuando ocurra una nueva inundación, las fisuras si están lo suficientemente abiertas, pueden rellenarse con partículas de limo o arena fina. Las fisuras rellenas constituyen trayectorias de drenaje preferencial.
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Las fisuras son planos de debilidad y por tanto estas arcillas ofrecen menor resistencia que la una arcilla similar en estado intacto. Las fisuras producen en estos depósitos , fragmentos prismáticos o irregulares, que se van separando unos de otros (aumento del ancho de las fisuras) a medida que desaparece la presión de confinamiento. También los movimientos relativos de las paredes de las fisuras producen pequeñas estrías y pulen sus superficies formando los llamados espejos de fricción. qu1 :Resistencia de ofrece la arcilla intacta. qu2 : Resistencia que ofrece la arcilla fisurada.
qu1 > qu2
II.4.3.- Estruc tura que fo rman las partícul as de arcilla. En este parte del estudio de los suelos finos, se explica la constitución estructural de los minerales arcillosos. Las estructuras expuestas son ideales, sin embargo la estructura real de la arcilla es semejante pero aún más compleja, debido a substituciones irregulares e interposiciones entre capas. A continuación se describen las unidades estructurales básicas que forman los minerales arcillosos. II.4.3.1.- Unidad tetraédrica y o ctaédrica Unidad tetraédrica La fig. 27.a y 27.b,corresponde al tetraedro de silicio, el cual está formado por 4 átomos de oxigeno (O -2) rodeando un átomo de silicio (Si+4).Varios cristales de estos se unen y forman la unidad tetraédrica denominada sílice (ver fig. 27.c). La fig.27.d y 27.e, es una representación simbólica del tetraedro de silicio y de la unidad tetraédrica. En la fig 27.e, se indica que el espesor de la unidad tetraédrica es aproximadamente 4.63 Aº (1 Aº = 10-7 mm : Aº Amstrong).
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Fig. 27.- Representación del cristal de tetraedro y unidad tetraédrica. (a) y (b) Representación atómica del tetraedro. (c) Representación atómica de la unidad tetraédrica. (d) Representación simbólica del tetraedro. (e) Representación simbólica de unidad tetraédrica. 1 Aº = 10-7 mm : Aº Amstrong
Unidad Octaédrica La fig. 28.a, corresponde a la representación atómica del octaedro de aluminio formado por seis átomos de hidroxilo (OH -1) y un átomo de aluminio (Al+3). Varios octaedros se unen forman la unidad octaédrica llamada gibbsita, mostrada en la fig. 28.b. También las fig. 28.c y 28.d, son una representación simbólica del octaedro de aluminio y de la unidad octaédrica.
Fig. 28.- Representación del cristal de octaedro y unidad octaédrica. (a) Representación atómica del octaedro. (b) Representación atómica de la unidad octaédrica. (c) y (d) Representación simbólica del octaedro y de la unidad octaédrica.
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II.4.3.2.- Estruct ura de l a caolini ta La unidad estructural básica (UEB) de la caolinita es: Una unidad octaédrica sobre la unidad tetraédrica, tal como se muestra en la fig. 29.a y cuyo espesor es de 7.15 Aº. Varías (UEB) se unen (ejemplo 115 UEB) y dan origen a la partícula de caolinita (ver fig. 29.b). El enlace entre las UEB está formada por iones de hidrógeno (H+1) y fuerzas de Van der Wall tal como se aprecia en la fig. 29.b. La fig. 29.c, muestra la estructura atómica de la unión de dos UEB solamente, donde se aprecia que la suma de las valencias positivas y negativas produce una estructura neutra, por tanto existen en la naturaleza.
Fig. 29.- Representación de la partícula de caolinita. (a) Representación de su UEB. (b) Ilustración de la formación de una partícula de caolinita. (c) Representación de su estructura atómica de la partícula. (d) Representación del tamaño de la partícula de caolinita.
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La caolinita es el mineral más importante y más común de los silicatos bicapa encontrados en la naturaleza. Es mineral arcilloso más estable, debido al tipo de enlace entre sus UEB, por tanto: - Mas estabilidad - Menor capacidad de Absorción - Menor Retracción bajo cambios de humedad - Menor Expansión bajo cambios de humedad La fig. 29.d, muestra los rangos entre los cuales varía el tamaño y espesor de las partículas de caolinita, así como su superficie específica.
En cuanto a la sustitución isomorfa es escasa en la caolinita (es decir de la misma forma), que consiste en el remplazo de un tipo de átomo por otro, y ocurre cuando en el punto de formación del mineral se dispone más fácilmente del átomo sustituto que del átomo original. La sustitución isomorfa en la caolinita, ocurre cada 400 iones de silicio (Si +4), es decir por cada 400 iones de silicio se remplaza uno de ellos por uno de aluminio (Al+3) en la unidad tetraédrica. El déficit de carga es compensado por los iones de hidrógeno (H +1).
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II.4.3.3.- Estruc tura d e la il ita La unidad estructural básica (UEB) de la ilita, está formada por una unidad octaédrica entre dos unidades tetraédricas (ver fig. 30.a).
Varias UEB se unen y dan origen a la partícula de ilita. El enlace entre las UEB se debe que ocurre el fenómeno de substitución isomorfa, donde iones de silicio (Si+4) de las unidades tetraédricas son remplazados por iones de aluminio (Al+3).
El déficit de carga positiva que se produce, es compensado por iones de potasio (K+1), a través de los cuales se produce la unión ent re las UEB (ver fig. 30.b).
La fig. 39.c, presenta la estructura atómica de la unión de dos UEB de la ilita, observándose que la suma de las valencias positivas y negativas produce una estructura neutra, por tanto esa unión existe en la naturaleza. Se entiende, que si no existe ese equilibrio, los iones de potasio son atraídos.
La fig. 30.d, muestra el rango de variación de su tamaño y su superficie específica.
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El enlace a través del ión potasio (K +1) en las UEB de la partícula de ilita, es menos estable que el enlace de los iones hidrógeno entre las UEB de la partícula de la caolinita, por tanto: - La ilita es menos estable que la caolinita - Tiene mayor capacidad de absorción - Ocurre en ella humedad.
mayor retracción y expansión debido a los cambios de
Fig. 30.- Representación de la partícula de Ilita. (a) Representación de su UEB. (b) Ilustración de la formación de una partícula de ilita. (c) Representación de su estructura atómica de la partícula. (d) Representación del tamaño de la partícula de ilita.
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II.4.3.4.- Estructura de la montmorillonita La unidad estructural básica (UEB) de la montmorillonita es la misma de la ilita (ver fig. 31.a) Igualmente varias UEB se unen y dan origen a la partícula de montmorillonita (ver fig. 31.a). También aquí el enlace se debe a que ocurre el fenómeno de substitución isomorfa, donde iones de aluminio (Al+3) son remplazados por iones de magnesio (Mg+2) en la unidad octaédrica, produciéndose un déficit de carga positiva.
Esto permite la atracción de moléculas de agua que actúan como un dipolo (ver fig. 31.b) a través de los iones de hidrógeno (H+1). Por tanto se considera que el enlace entre las UEB está hecho a través de las moléculas de agua (ver fig. 31.a).
La estructura atómica de la montmorillonita es semejante a la de la ilita, con la diferencia que en la substitución isomorfa está presente es el ion de magnesio (Mg+2) y no el de aluminio (Al+3) (ver fig. 31.c).
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Se aprecia que no existe una compensación entre en la suma de las valencias positivas y negativas, y como la molécula de agua es un dipolo, esa compensación se logra a través de los iones de hidrógeno de la molécula.
La fig. 31.d, muestra el rango de variación de su tamaño y su superficie específica.
El enlace a través dela molécula de agua es muy inestable, por esta razón: - La partícula de montmorillonita es la más pequeña - La mas inestable - Tiene gran capacidad de absorción - Alta retracción y expansión por cambios de humedad.
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Fig. 31.- Representación de la partícula de Montmorllonita (a) Ilustración de la formación de una partícula (b) Molécula de agua. (c) Representación de su estructura atómica de la partícula. (d) Representación del tamaño de la partícula.
II.4.4.- Interacciones entre las partículas de arcilla, el agua y los minerales disueltos en el agua Las interacciones de las partículas con el agua y algunos iones, son las responsables principales de las propiedades de estos suelos. Respecto a ello se tiene: Las moléculas de agua (H2O) se disocian en iones de H+1 y iones de hidroxilo OH-1 Si hay impurezas en el agua estas se disocian en Na+1 y Cl-1 La superficie tiene carga negativa y los iones son atraídos a la superficie.
Fig. 32.- (a) Partículas de arcilla e Iones disueltos en el agua. (b) partícula de arcilla cargada con los iones.
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Se dice que los cationes que atraen la partícula de arcilla son adsorbidos
Estos iones adsorbidos, no siempre están permanentemente unidos al mineral arcilloso. Por ejemplo: Si esta arcilla es lavada por KCl, la mayor parte de los iones de Na+1 se remplazan por los iones de K+1. Este procediemiento se conoce como intercambio de cationes o también como intercambio de bases.
El ión atraído puede ser el presente en la masa de suelo. También tiene que ver, con cual ion es más activo.
De aquí que estos iones se denominen iones de cambio monovalentes.
Igualmente si al sistema sueloagua se le agrega cloruro de calcio, ocurre la substitución del ion Na+1 por el ion de Ca+2.
Doble capa conformada por iones hidratados de de Na+1
Doble capa conformada por iones hidratados de de Ca+2
Este remplazo de los iones de sodio (Na+1) por los iones de calcio (de Ca+2), se aprecia en el espesor de la doble capa.
Se aprecia que la doble capa se reduce o se deprime.
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La reducción de la doble capa, trae como consecuencia una variación favorable en las propiedades del suelo arcilloso desde el punto de vista ingenieril ya que la plasticidad del suelo también se reduce. Mas adelante se presentará como la plasticidad del suelo arcilloso depende en un gran porcentaje de la naturaleza del ion de cambio.
Los minerales arcillosos difieren ampliamente en la propiedad de adsorber cationes. La tabla 16, muestra la cant idad de cargas positivas adsorbidos por 100 grs de mineral. Tabla Nº 16.- Iones positivos atraídos por 100 grs de cada mineral arcilloso. Mineral
Montmorillonita Ilita Caolinita
Número total de cargas positivas adsorbidas por 100 gr s 360 x 10
20
a 500 x 1020
120 x 1020 a 240 x 1020 20 x 1020
a 90 x 1020
20
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Para explicar lo presentado en tabla 16, se hará uso de la fig. 33.a. y 33.b, donde se muestra una partícula de caolinita y de montmorillonita, en estado seco y en estado saturado.
Partícula montmorillonita en estado seco de 1000 Aº x 10 Aº de espesor.
Partícula de caolinita en estado seco de 10000 Aº x 1000 Aº de espesor.
1 Aº = 10-7 mm
Estas partículas están rodeadas de iones, tal como ya se mencionó anteriormente.
En promedio una partícula de montmorillonita contiene aproximadamente 14000 iones monovalentes
En promedio una partícula de caolinita contiene aproximadamente 4000000 de iones monovalentes.
En la fig. 33.c y 33.d, se presenta un detalle de una parte de la superficie lateral, de las partículas de montmorillonita y de caolinita.
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Separación de los iones de Na+1 en la partícula de montmorillonita en estado seco. Por tanto los iones no están hidratados.
Separación de los iones de Na+1 en la partícula de caolinita en estado seco. Iones sin hidratar.
La fig. 33.e, ilustra la condición sin hidratar e hidratada del Na+1 con sus respectivos radios..
Fig. 33.- (a) y (b) Partícula de montmorillonita y caolinita en estado seco. (c) y (d) Parte lateral de la superficie seca de la montmorillonita y caolinita mostrando la separación de los iones de Na+1. (e) Radios atómicos del ión de Na+1 en estado seco e hidratado.
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Ahora considere que las partículas de montmorillonita y de caolinita se sumergen. Al estar sumergidas las partículas de arcillas los iones monovalentes se hidratan, lo cual significa que moléculas de agua son atraídas por el ion. La fig. 34.a muestra el ion de Na +1 hidratado. Las moléculas de agua son atraídas a través de la carga negativa del ion de oxigeno O-2
La fig. 34.b muestra una partícula de arcilla rodea de iones de sodio Na+1 hidratados, los cuales son atraídos a su superficie a través del ion H+1 de la molécula de agua. Se aprecia también que algunos iones hidratados se alejan de la partícula de arcilla. Sin embargo ellos tienen baja movilidad hasta cierta distancia de la partícula de arcilla.
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La mayor concentración de iones están cerca de la superficie donde existe la mayor atracción y por tanto su densidad decrece a medida que se alejan de la superficie. Recordemos que antes de sumergirse la partícula en agua, todos los iones están adheridos a la partícula de arcilla, y luego de sumergirse, los iones toman la disposición mostrada en la fig. 34.b. Esto se debe a que los iones de Na+1 al hidratarse son demasiado grandes para permanecer sobre las partículas del mineral arcilloso, lo que hace que los iones de cambio junto con su envoltura de agua se separen de las superficies minerales hacia posiciones de equilibrio.
Esta capa de iones de baja movilidad y alta viscosidad, conforman lo que se denomina doble capa, cuyo espesor puede alcanzar los 400 Aº en las partículas de montmorillonita. La fig. 34.c es equivalente a la fig. 34.b, donde se muestra el espesor de la doble capa y donde se aprecia con varía la concentración de iones en función de la distancia respecto a la partícula del mineral.
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Por tanto el mayor potencial eléctrico está cerca de la superficie de la partícula y va disminuyendo hasta tener un valor muy bajo, donde la concentración de iones es igual a la existe en el agua intersticial o libre.
Se define la doble capa, como la distancia a la superficie de la partícula necesaria para neutralizar la carga neta de la partícula, y en esa distancia existe un potencial eléctrico.
El agua libre constituye una fase separada del mineral arcilloso.
Se debe tener presente que muchas arcillas con elevado contenido de montmorillonita , puede ser bastante difícil separar la fase acuosa del mineral.
Las fig. 34.d y e, presentan la doble capa para una partícula de montmorillonita y de caolinita. También se entiende que debido a que el tamaño de la partícula de caolinita es mucho mayor al de la montmorillonita, habrá mayor concentración de iones alrededor de la partícula de caolinita, ya que hay mayor espacio para que ellos se posicionen en su superficie.
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Agua intersticial o agua libre (agua absorbida)
El agua de la doble capa está sometida a una fuerza de atracción hacia la partícula de suelo ya que el agua es solidaria de los iones de cambio, que a su vez resultan atraídos hacia la superficie del mineral por las fuerzas que existen entre el agua polar y las cargas eléctricas en la superficie y por las fuerzas de van der Waals. Agua de doble capa (agua adsorbida)
Fig. 34.- (a) Ion hidratado. (b) Doble capa. (c) Concentración de iones variando con la distancia a la partícula. (d) Doble capa en la partícula de montmorillonita. (e) Doble capa en la partícula de caolinita.
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